Горячие трещины в сварных соединениях

Термины, описывающие горячие трещины в сварном соединении, даны в соответствии с ГОСТ 26389-84.

Горячая трещина – дефект сварки, имеющий признаки хрупкого межкристаллитного

разрушения при высоких температурах. Горячие трещины могут быть кристаллизационного (ГТК) или ликвационного (ГТЛ) типа. Они проходят по зонам срастания кристаллитов в металле или по границам зерен в зоне сплавления, на поверхности разрушения которой обнаруживаются следы обособленной кристаллизации жидкого металла или шлака.

Горячая трещина подсолидусного типа (ГТП) – трещина, проходящая по границам зерен в литом металле шва или в металле зоны сплавления, на поверхности разрушения которой не обнаруживаются следы обособленной кристаллизации жидкой фазы.

Горячая подваликовая трещина (ГТМ) – трещина, возникающая при много-проходной сварке в металле предшествующего слоя при выполнении следующего.

Температурный интервал хрупкости (ТИХ) – разность между верхней Т _в.г и нижней Т _н.г границами температурного интервала образования горячих трещин: ТИХ = Т_в.г - Т_н.г.

Время пребывания в температурном интервале хрупкости – разность между временем достижения нижней и верхней границ ТИХ.

Стойкость против образования горячих трещин при сварке – способность металла образовывать шов без горячих трещин при сварке конкретного узла в установленных режимах сварки.

Критическая скорость сварки (С) – сравнительный показатель сопротивляемости образованию горячих трещин при сварке, определяемой минимальной скоростью сварки, при которой возникают трещины в образцах.

В зависимости от природы образования различают кристаллизационные и полигонизационные горячие трещины.

Кристаллизационные горячие трещины (ГТ) возникают при наличии твердой и жидкой фаз в процессе кристаллизации и располагаются в обогащенных примесями межкристаллитных пространствах.

Полигонизационные горячие трещины образуются при температуре ниже температуры солидуса и располагаются по участкам, где сосредоточены несовершенства кристаллической решетки, – по полигонизационным границам, преимущественно на тех же участках, которые совпадают с участками твердого раствора, обогащенными примесями, т.е. на участках, которые соответствуют бывшим границам при первичной кристаллизации.

Образованию горячих трещин способствуют следующие общие факторы:

- использование повышенных плотностей сварочного тока при наложении первого слоя многослойного шва толстостенных сосудов и изделий;

- недостаточный зазор между кромками деталей при электрошлаковой сварке;

- слишком глубокие и узкие швы при автоматической сварке под флюсом;

- выполнение сварочных работ при низкой температуре.

Кроме того, образованию горячих трещин в различных металлах способствуют приведенные ниже факторы:

а) при сварке сталей:

- сварка легированных сталей в жестко закрепленных конструкциях;

- примеси серы, фосфора и водородосодержащих фаз, (сера и фосфор могут попадать в металл шва из основного металла, флюсов и покрытия электродов, из присадочного материала, а водород – из основного и присадочного металлов, из защитного газа или флюсов, и атмосферы дуги);

б) при сварке алюминиевых сплавов:

- скопления эвтектических составляющих на границах крупных кристаллитов металла шва;

- недостаточная скорость охлаждения металла шва;

- увеличение содержания цинка относительно содержания магния, повышающее склонность к образованию горячих трещин;

в) при сварке титановых сплавов:

- активное поглощение при высоких температурах кислорода, водорода, азота (это вызывает резкое снижение пластичности и конструкционной прочности);

- низкая теплопроводность титановых сплавов, приводящая к увеличению времени пребывания сварного шва при высоких температурах и, как следствие, к интенсивному росту зерна;

г) при сварке медных сплавов:

- легкая окисляемость меди и ее сплавов в расплавленном состоянии, вызывающая образование закиси меди, которая при кристаллизации выделяется по границам зерен металла шва, снижая их пластичность;

- наличие в медных сплавах вредных примесей (висмута, свинца), вызывающих образование легкоплавких эвтектик, а также примесей серы и углерода, адсорбирующихся на границах кристаллитов, и легкоплавких эвтектик;

- недостаточное степень раскисления основного металла, наличие в нем кислорода, снижающего стойкость швов против образования горячих трещин;

д) при сварке магниевых сплавов:

- применение присадочного металла, по химическому составу отличающегося от состава основного металла, способствующего образованию пленочных выделений на границах кристаллитов, скоплению легкоплавких эвтектик и увеличивающего интервал кристаллизации за счет снижения температуру солидуса металла сварочной ванны.

Большую склонность к образованию горячих трещин проявляют никель и его сплавы, тугоплавкие металлы и сплавы. Это связано с крупнокристаллической дендритной структурой металла шва и выделением на границах кристаллитов примесей внедрения в виде различных соединений.

Для предупреждения горячих трещин при сварке рекомендуется:

- применение дополнительно присадочного металла, содержащего пониженное количество вредных примесей, которые способствуют образованию горячих трещин;

- уменьшение доли участия основного металла в металле шва за счет применения соответствующих видов и режимов сварки (сварка на малых токах, двумя дугами, по присадочной проволоке);

- выбор оптимального типа покрытия, флюса и состава сварочной проволоки;

- изменение первичной структуры металла шва и характера первичной кристаллизации путем подавления формирования столбчатой структуры, роста крупных первичных кристалллитов и образования разнонаправленных кристаллитов за счет введения в сварочную ванну модификаторов или механическим и электромагнитным воздействием на сварочную ванну.

Уменьшение величины растягивающих напряжений может быть достигнуто путем:

- рационального конструирования свариваемых узлов и элементов;

- уменьшения количества сварных швов и их и их рациональным распределением (рассредоточением);

- выбора оптимального типа разделки свариваемых кромок;

- устранения излишней жесткости узлов;

- применения рационального способа и режимов сварки;

- применения рационального порядка наложения швов;

- применения предварительного подогрева, обусловливающего отдаление момента возникновения растягивающих напряжений и снижающего скорость их нарастания в период, когда металл шва обладает пониженной пластичностью;

- выбора химического состава металла шва, оптимального для свариваемой детали;

- повышения коэффициента формы шва (отношение ширины шва к его глубине) до значений 1,3 - 5 за счет изменения режимов сварки.

Кроме того, предотвращению горячих трещин в сварных соединениях из различных металлов способствуют приведенные ниже факторы:

а) при сварке сталей:

- изменение химического состава металла шва в направлении уменьшения содержания в нем вредных примесей (сера, фосфор, углерод, кремний) и увеличения полезных элементов (марганец, хром, никель и др.) путем применения дополнительного присадочного металла, содержащего пониженное количество вредных примесей;

- введение в сварочную ванну модификаторов, таких, как алюминий, титан, ванадий, церий;

б) при сварке алюминиевых сплавов:

- использование модифицирующих добавок (цирконий, титан), вводимых в присадочные материалы;

- применение присадочных материалов, обеспечивающих более высокую пластичность сварного шва;

- применение схемы кристаллизации, обеспечивающей рациональное расположение дендритов путем регулирования направления теплоотвода при кристаллизации сварочной ванны;

в) при сварке титановых сплавов:

- сокращение времени пребывания металла при высоких температурах с целью предотвращения роста зерна и поглощения газов – кислорода, водорода, азота;

- соблюдение технологии сварки с целью предотвращения попадания влаги и загрязнений в зону сварки;

- проведение сварки альфа- и псевдоальфа сплавов титана на жестких режимах, а альфа + бета сплавов – на относительно мягких (скорость охлаждения 10–20 °С/с);

г) при сварке медных сплавов:

- защита сварочной ванны от взаимодействия с кислородом (в свариваемом металле содержание кислорода не должно превышать 0,03 %);

- ограничение содержания вредных примесей (висмута, свинца), образующих легкоплавкие эвтектики и примесей серы и углерода, адсорбируемых на границах кристаллитов и на границах легкоплавких эвтектик;

- раскисление сварных швов алюминием, марганцем и титаном, использование церия и циркония в качестве модификаторов;

- проведение перед сваркой подогрева конструкций до 300 °С;

- регулирование направления теплоотвода при кристаллизации шва с целью рационального расположения дендритов;

д) при сварке магниевых сплавов:

- выбор технологии сварки, обеспечивающей оптимальную погонную энергию и охлаждение шва;

- последовательное выполнение швов, обеспечивающее минимально возможное развитие усадочных и тепловых линейных деформаций;

- применение предварительного и сопутствующего подогревов, изменяющих характер распределения напряжений в сварных соединениях;

- конструирование сварной конструкции с обеспечением достаточной компенсации развивающимся в процессе сварки деформациям.

К основным технологическим мерам предупреждения горячих трещин при сварке никеля и его сплавов, а также тугоплавких металлов относятся следующие:

- применение присадочных материалов, обеспечивающих более высокую пластичность металла шва;

- обеспечение схемы кристаллизации металла сварочной ванны, приводящей к созданию рационального распределения осей дендритов путем регулирования направления теплоотвода при кристаллизации сварочной ванны;

- применение мер, ограничивающих остаточные напряжения в металле шва.

При обнаружении трещины необходимо произвести засверловку ее концов. Далее производится одно- или двусторонняя разделка трещины на всю ее глубину электро- или плазменно-дуговой строжкой, либо любым механическим способом (абразивным кругом, электро- или пневмозубилом, фрезерованием и др.).

Заварка дефектного участка производится любым рациональным способом, обеспечивающим отсутствие дефектов в сварном соединении.

Горячие трещины служат очагом хрупкого, усталостного, коррозионного разрушений конструкций или деталей в процессе изготовления или эксплуатации. Степень отрицательного влияния зависит от величины и количества трещин.

Дата добавления: 2013-12-12